光纖氣體傳感器總結(jié)

光纖氣體傳感器總結(jié)光纖氣體傳感器調(diào)研總結(jié)光纖氣體檢測(cè)綜述1.1國(guó)內(nèi)外光纖氣體檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展氣體傳感器是一種把氣體中的特定成分檢測(cè)出來,并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件,人們很早就開始了氣體傳感器的研究,將其用來對(duì)有毒、有害氣體的探測(cè),對(duì)易爆、易燃?xì)怏w的安全報(bào)警。對(duì)人類生產(chǎn)生活中所需了解的氣體進(jìn)行檢測(cè)、分析研究等,使得它在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中起到耳目的作用。光纖傳感技術(shù)是一項(xiàng)正在發(fā)展中的具有廣闊前景的新型高技術(shù)。由于光纖本身在傳遞信息過程中具有許多特有的性質(zhì),如光纖傳輸信息時(shí)能量損耗很小,給遠(yuǎn)距離遙測(cè)帶來很大方便。光纖材料性能穩(wěn)定,不受電磁場(chǎng)干擾,在高溫、高壓、低溫、強(qiáng)腐蝕等惡劣環(huán)境下保持不變所以光纖傳感器從問世到如今,一直都在飛速發(fā)展[1]。世界上已有多種光纖傳感器，諸如位移、速度、加速度、壓力、流量等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的光纖傳感。光纖氣體傳感技術(shù)是光纖傳感技術(shù)的一個(gè)重要應(yīng)用分支，主要基于氣體的物理或化學(xué)性質(zhì)相關(guān)的光學(xué)現(xiàn)象或特性。近年來，它在環(huán)境監(jiān)測(cè)、電力系統(tǒng)以及油田、礦井、輻射區(qū)的安全保護(hù)等方面的應(yīng)用顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性[2]。1989年，西安應(yīng)用光學(xué)研究所的郭栓運(yùn)對(duì)光纖氣體傳感器展開研究，在應(yīng)用光學(xué)雜志上介紹了差分光譜吸收的基本原理，給出了實(shí)驗(yàn)框圖和應(yīng)用實(shí)例[15]。1992年，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的王耀才等在光纖通信技術(shù)雜志上介紹了吸收型光纖瓦斯傳感技術(shù)和干涉型瓦斯傳感器的原理，并對(duì)其在煤礦重的應(yīng)用前景做了探討[16]。1997年，山東礦業(yè)學(xué)院的曹永茂等人針對(duì)光纖瓦斯傳感器光波波長(zhǎng)的選擇展開討論，提出根據(jù)傳感器技術(shù)指標(biāo)來確定光纖瓦斯傳感器的基本參數(shù)，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[17]。1999年，大連理工大學(xué)劉文琦等人報(bào)道了一種新型透射式光纖甲烷傳感器，用1.31μｍInGaAsP型LED做光源測(cè)量甲烷濃度，通過研究制備一種納米級(jí)多透射膜，增強(qiáng)了甲烷氣體對(duì)激光的光譜吸收[18]。同年，香港理工大學(xué),靳偉應(yīng)用調(diào)制光盤技術(shù)對(duì)DFB激光器驚醒調(diào)制，研究光纖氣體傳感器的分時(shí)多路復(fù)用（TDM）技術(shù)。靳偉建立了計(jì)算仿真模型，仿真結(jié)果表明由20個(gè)甲烷氣體傳感器組成的光纖氣體傳感器陣列的檢測(cè)靈敏度可以達(dá)到2000ppm[19-20]。之后靳偉博士與清華大學(xué)喻洪波合作，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)波調(diào)頻技術(shù)復(fù)用的光纖氣體多點(diǎn)傳感系統(tǒng)[21]。2000年，浙江大學(xué)葉險(xiǎn)峰等在對(duì)CH4分子近紅外洗后光譜分析比較的基礎(chǔ)上考慮與光纖的低損耗窗口相一致以及價(jià)格等因素，采用價(jià)廉的1.3μｍ波段的LED作為光源，實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷氣體的檢測(cè)，檢測(cè)靈敏度為1300ppm/m[6]。2001年，燕山大學(xué)王玉田等根據(jù)甲烷氣體的吸收光譜，研究了一種利用價(jià)格低廉的LED作為光源的新型投射式光纖甲烷氣體傳感器，選擇兩種同型號(hào)的LED光源作為差分吸收信號(hào)，光源驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)實(shí)行交替斬波[7]。為了保證系統(tǒng)對(duì)甲烷氣體檢測(cè)的精度，采取了兩項(xiàng)措施，一是設(shè)置了參考通道，二是采用了光源反饋通道以增強(qiáng)LED光源的穩(wěn)定性[8]。2005年，張愛軍[3]對(duì)光譜吸收型光纖氣體進(jìn)行了研究。每一種氣體都有固有的吸收譜，當(dāng)光源的發(fā)射光波與氣體的洗后光波長(zhǎng)相吻合時(shí)，就會(huì)放生共振洗后，其洗后強(qiáng)度與該氣體的濃度有關(guān)，通過測(cè)量光的吸收強(qiáng)度就可測(cè)量氣體的濃度。以甲烷氣體為例，通過實(shí)驗(yàn)研究，分析了吸收路徑長(zhǎng)度對(duì)傳感器靈敏度的影響，增加吸收路徑的長(zhǎng)度，有利于提高傳感器的靈敏度。氣體體濃度較小時(shí)，通過增加吸收路徑的長(zhǎng)度來提高傳感器的靈敏度效果明顯。2006年，中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所的闞瑞峰等可調(diào)諧二極管激光吸收光譜與多次反射池相結(jié)合，研制了用于地面環(huán)境空氣中甲烷含量檢測(cè)的便攜式吸收光譜儀，并利用不同體積分?jǐn)?shù)的甲烷氣體對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，取得了很好的測(cè)試結(jié)果[9]。王曉梅等分析了TDLAS諧波信號(hào)的特征，建立了諧波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號(hào)作為曲線，對(duì)待測(cè)氣體的諧波信號(hào)進(jìn)行線性回歸[10]。2007年，燕山大學(xué)王艷菊等采用雙光路、雙波長(zhǎng)來解決光源功率波動(dòng)、光纖損耗等問題，在接受端采用旋轉(zhuǎn)雙色濾光器和單探測(cè)器消除了雙光電器件的飄逸對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響[11]。同年，中國(guó)科學(xué)院安徽光機(jī)所的陳玖等應(yīng)用自平衡測(cè)量方法，消除了激光的共模噪聲和其他同性干擾的影響，該方法不用加信號(hào)使用波長(zhǎng)（熒光波長(zhǎng)）不同于激勵(lì)波長(zhǎng)。由于不同的熒光材料通常具有不同的熒光波長(zhǎng)，因此熒光傳感器對(duì)被測(cè)量的鑒別性好。實(shí)際上希望輻射波長(zhǎng)和激勵(lì)波長(zhǎng)離開的越遠(yuǎn)越好，在輸出端可用廉價(jià)的波長(zhǎng)濾波器將激勵(lì)光和傳感光分開。通常激勵(lì)波長(zhǎng)在可見光或紅外區(qū)，這一波段上光源技術(shù)成熟，幾個(gè)也比較低廉。燃料指示劑型光纖氣體傳感器一些氣體在石英光纖低耗窗口內(nèi)沒有較強(qiáng)的吸收峰，或者雖有吸收峰但相應(yīng)波長(zhǎng)的光源或檢測(cè)器不存在或太昂貴，解決這些問題的方法之一是應(yīng)用燃料指示劑作為中間物來實(shí)現(xiàn)間接傳感。燃料與被測(cè)氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得燃料的光學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，利用光纖傳感器測(cè)量這種變化，就可以得到被測(cè)氣體的濃度信息。最常見的燃料指示劑光纖氣體傳感器是pH值傳感器，一些燃料指示劑的顏色會(huì)隨著pH值得變化而變化，引起對(duì)光的吸收的變化。通過測(cè)量某些氣體濃度變化帶來的pH值變化，分析氣體濃度信息。圖21.3光纖氣體傳感器的特點(diǎn)由于光纖本身傳輸損耗和微型結(jié)構(gòu)，光纖氣敏傳感器存在兩個(gè)基本限制：一是光線的低損耗傳輸窗口的限制，石英光纖只在1.1~1.7um的近紅外區(qū)有低損耗和低散射。若在中、遠(yuǎn)紅外區(qū)進(jìn)行探測(cè)會(huì)造成光信號(hào)較大的衰弱，致使光通過待測(cè)氣體后的變化與氣體的檢測(cè)參數(shù)不成特定的關(guān)系。而多數(shù)氣體在中、遠(yuǎn)紅外光譜區(qū)存在較強(qiáng)的吸收光譜。另一限制是光纖本身的微型結(jié)構(gòu)使得光纖只有較小的數(shù)值孔徑，光耦合難以很高。但在短距離傳輸檢測(cè)中，采用數(shù)值孔徑較大的塑料光纖可提高光耦合，又不會(huì)產(chǎn)生較大的傳輸損耗。盡管光纖氣體傳感純?cè)谙拗?，但光纖氣體傳感器較傳統(tǒng)的氣體傳感器仍具有很多優(yōu)點(diǎn)：（1）光纖氣體傳感器本質(zhì)安全、抗電磁干擾、絕緣性能好，且耐高溫、耐高壓、防腐蝕、阻燃防爆，適用于遠(yuǎn)距離遙測(cè)和某些特殊環(huán)境的分析；（2）光纖傳輸損耗低，信息容量大，直徑細(xì)，重量輕，光纖及探頭均可微型化；（3）測(cè)量范圍寬，精度高，工作穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，成本低，可同時(shí)進(jìn)行多參數(shù)或連續(xù)多點(diǎn)檢測(cè)疑惑的大量信息；（4）系統(tǒng)匹配性能好，容易實(shí)現(xiàn)檢測(cè)及反饋控制的數(shù)字化、自動(dòng)化和一體化；（5）光纖探頭對(duì)被測(cè)量場(chǎng)的影響小，靈敏度高，動(dòng)態(tài)范圍大，響應(yīng)速度快；（6）光纖的生物兼容性好，加之良好的柔韌性和不帶點(diǎn)的安全性，使之尤其適應(yīng)于生物和臨床醫(yī)學(xué)上的實(shí)時(shí)、體內(nèi)檢測(cè)；（7）在大多數(shù)情況先，光纖氣體傳感器不改變樣品的組成，是非破壞性分析。由于光纖氣體闖愛情具有上述有點(diǎn)，尤其他的本質(zhì)安全、抗電磁干擾的特點(diǎn)，是其他氣體傳感器無(wú)法比擬的。這使它可以安全方便地用于易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾或其他惡劣環(huán)境中氣體的檢測(cè)。2產(chǎn)品調(diào)研1、北京品傲光電科技有限公司光纖傳感器性能指標(biāo)如圖3：圖3系統(tǒng)設(shè)備及參數(shù)如圖4：圖4光纖氣體傳感器課探測(cè)氣體如圖5：圖5產(chǎn)品實(shí)例圖：10,000ppm=1％v/v（體積之比）價(jià)格：35萬(wàn)左右?；魇浚ㄏ愀郏┯邢薰灸壳爱a(chǎn)品只能測(cè)氣體的有無(wú)，但工作溫度能到達(dá)300度2、深圳富凱士公司只能測(cè)單一氣體的話是有成品，但是要將混合氣體的成分區(qū)分開來的話，我們還在實(shí)驗(yàn)室階段，暫時(shí)沒有成品提供。3、北京蔚藍(lán)仕沒有相關(guān)光纖氣體傳感器。瀏覽多家國(guó)外知名氣體傳感器廠家中國(guó)區(qū)主頁(yè)，如英國(guó)CityTechnology；日本費(fèi)加羅，歐姆龍（只能測(cè)物體數(shù)量）Nemoto；美國(guó)飛思卡爾，歐米伽；德國(guó)SENSOR等。未發(fā)現(xiàn)相關(guān)光纖氣體傳感器的產(chǎn)品。長(zhǎng)春光機(jī)所：期刊論文《用于石油測(cè)井和管道運(yùn)輸?shù)姆植际焦饫w傳感技術(shù)》，闡述了我國(guó)分布式壓力，溫度光纖傳感器在石油化工方面的應(yīng)用情況。發(fā)明專利《D形光纖消逝場(chǎng)化學(xué)傳感器》，發(fā)明提出一種用于醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)控、食品安全等檢測(cè)量的D形光纖消逝場(chǎng)化學(xué)傳感器?！豆饫w生物傳感器》，這是一種光纖生物傳感器，用于測(cè)定環(huán)境中微生物的種類、含量等。《光纖液位傳感器》，一種光纖液位傳感器，包括有光源，探測(cè)器和傳感頭。安徽光機(jī)所：王曉梅等《基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的高精度痕量氣體濃度定量方法》，分析了TDLAS諧波信號(hào)的特征，建立了諧波信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，利用較高濃度氣體的二次諧波信號(hào)作為曲線，對(duì)待測(cè)氣體的諧波信號(hào)進(jìn)行線性回歸。參考文獻(xiàn)[1]陳娟，馮錫鈺，蒲春華.光纖氣體傳感器綜述[J].吉林工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版)，1997.14-15[2]賈振安,王佳,喬學(xué)光,葛朋.光纖傳感技術(shù)在氣體檢測(cè)方面的應(yīng)用[J].光通訊技術(shù),2009.55-58[3]張愛軍.光譜吸收型光纖氣體傳感器的研究.武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2005,1:54-57[4]齊潔.光譜吸收型光纖氣體傳感技術(shù)研究.南京航空航天大學(xué)博士畢業(yè)論文.2010,2:1-2[5]張可可.光譜吸收式光纖氣體檢測(cè)理論及技術(shù)研究.哈爾濱工程大學(xué)博士學(xué)文論文.2012,2:1-2[6]葉險(xiǎn)峰,湯偉中.CH4氣體光纖傳感器的研究[J].半導(dǎo)體光電.2001,21(3):218-200[7]王玉田,郭增軍,王莉田等.投射式光纖甲烷氣體傳感器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào).2001,6(2):147-151[8]王玉田,郭廷榮,張為俊.高分辨率高靈敏度可調(diào)諧近紅外二極管激光光譜探測(cè)[J].光學(xué)與光學(xué)技術(shù).2004,(23):5-8[9]闞瑞峰,劉文清,張玉鈞等.基于可調(diào)諧激光吸收光譜的大氣甲烷監(jiān)測(cè)儀[J].光學(xué)學(xué)報(bào).2006,26(1):67-70[10]王曉梅,張玉鈞,劉文清等.可調(diào)諧二極管吸收光譜痕量氣體濃度算法的研究[J].中國(guó)激光.2006,3(Suppl):349-352[11]王艷菊,王玉田,王忠東.光纖甲烷氣體檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].壓電與聲光.2007,29(2):148-152[12]陳玖英,劉建國(guó),張玉鈞等.調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜自平衡檢測(cè)方法研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào).2007,27(2):350-353[13]褚衍平,張景超,管立君等.雙氣室氣體檢測(cè)系統(tǒng)的研究[J].應(yīng)用光學(xué).2008,29(3):390-393[14]肖兵,梁瑛琳,葉一如.提高基于TDLAS的廢棄動(dòng)態(tài)濃度測(cè)量系統(tǒng)分辨率與靈敏度的方法[J].儀表技術(shù)與傳感器.2009,5:99-102[15]郭栓運(yùn).差分光譜光纖氣體傳感器的基本原理[J].應(yīng)用光學(xué).1989,6:28-31.[16]王耀才,石藝尉,姜洪濤.光纖傳感技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用研究[J].光通信技術(shù).1999,1(35):4-9[17]曹茂永,張逸芳,張士昌等.吸收光譜式光纖瓦斯傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)[J].煤炭學(xué)報(bào).1997,22(3):280-283.[18]劉文琦,牛德芳.光纖甲烷氣體傳感器的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器.1999,1:35-36.[19]Jinwei.CrosstalkanalysisofaTMDfibergassensorarrayusingwavelengthmodulationoftheDFBlase[J]r.SPIEConferenceofFiberOpticSensorTechnologyandApplications.1999:326-337.